《Linux系统》之"皮毛系列"（二） Linux文件系统的简介

一、Linux文件系统

1、文件系统简介

Linux系统的理念是：一切都是文件。 其实这个是Unix系统的哲学思想，而Linux是由Unix系统而来，所以也继承了这个思想：

Unix系统把一切资源都看作是文件，包括硬件设备。硬件所形成的文件，通常称为设备文件。这样用户就可以用读写文件的方式实现对硬件的访问，这样带来的优势也是显而易见的。Unix 权限模型也是围绕文件的概念来建立的，所以对设备也就可以同样处理了。

Linux文件系统的设计目的：就是用来存储文件和管理文件。Linux文件系统的文件是数据的集合，文件系统不仅包含着文件中的数据，而且还有文件系统的结构，Linux用户和应用程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。注意：操作系统是用来管理硬件和应用程序及其文件系统的，别弄混这个概念。

2、Linux文件系统的目录结构

Linux文件系统采用树状级结构图。因为树状结构图方便归类和整理，就好像图书馆的书一样，先进行大类分成不同的书架，在进行逐级细分，方便文件的查找和管理。

    

1）根目录 (/) 的意义与内容：

根目录是整个文件系统中最重要的一个目录，位于Linux文件系统目录结构的顶层。因为不但所有的目录都是由根目录衍生出来的， 同时根目录也与操作系统的开机、还原、系统修复等行为有关。

系统开机所需要的特定文件数据有：核心文件、开机程序、 函数库等等。如果系统出现错误，根目录也必须要包含有能够修复文件系统的程序才行。

因此FHS标准建议：根目录(/)所在分区应该越小越好， 且应用程序所安装的软件最好不要与根目录放在同一个分区内，保持根目录越小越好。 如此不但效能较佳，根目录所在的文件系统也较不容易发生问题。说白了，就是根目录和Windows的C盘一个样。因为越大的分区内你会放入越多的数据，如此一来根目录所在分区就可能会有较多发生错误的机会。

因为根目录与开机有关，开机过程中仅有根目录会被挂载， 其他分区则是在开机完成之后才会持续的进行挂载行为。因此根目录下与开机过程有关的目录， 就应该与根目录放在同一个分区里。这些目录分别是：/etc，/bin，/dev，/lib，/sbin。

下面对目录树进行一下介绍：

/：根目录，位于Linux文件系统目录结构的顶层。通常根目录下只存放目录，不存放文件，/etc，/bin，/dev，/lib，/sbin应该和根目录放置在一个分区中。

/bin，/usr/bin：该目录为命令文件目录，也称为二进制目录。包含了供系统管理员及普通用户使用的重要的linux命令和二进制（可执行）文件，包含shell解释器等。

/boot： 该目录中存放系统的内核文件和引导装载程序文件，/boot/vmlinuz为linux的内核文件，以及/boot/gurb。建议单独分区，分区大小100M即可。

/dev： 设备（device）文件目录，存放linux系统下的设备文件，访问该目录下某个文件，相当于访问某个设备（终端、磁盘驱动器、光驱及网卡等，包括字符设备和块设备）等，常用的是挂载光驱mount /dev/cdrom/mnt。 

/etc： 系统配置文件目录，该目录存放系统的大部分配置文件和子目录，不建议在此目录下存放可执行文件。该目录下的文件由系统管理员来使用，普通用户对大部分文件有只读权限。

/home： 系统默认的用户宿主目录，新增用户账号时，用户的宿主目录都存放在此目录下，~表示当前用户的宿主目录。建议单独分区，并设置较大的磁盘空间，方便用户存放数据。

/lib，/usr/lib，/usr/local/lib：系统最基本的动态连接资源库，内核模块文件目录。几乎所有的应用程序都用到此资源库。/lib目录存放了所有重要的库文件，其他的库文件则大部分存放在/usr/lib目录下。

/lost+fount： 在EXT2或EXT3文件系统中，系统意外崩溃或意外关机时，产生的一些文件碎片放在这里。当系统重新启动时，fsck工具会检查这里，并修复已经损坏的文件系统。

/mnt，/media： mnt目录主要用来临时挂载文件系统，为某些设备提供默认挂载点。

/opt： 给主机额外安装软件所摆放的目录。

/proc： 此目录的数据都在内存中，如系统核心，外部设备，网络状态，由于数据都存放于内存中，所以不占用磁盘空间。

/root：系统管理员root的宿主目录，系统第一个启动的分区为/，所以最好将/root和/放置在一个分区下。

/sbin，/usr/sbin，/usr/local/sbin：放置系统管理员使用的可执行命令，如fdisk、shutdown、mount等。与/bin不同的是，这几个目录是给系统管理员root使用的命令，一般用户只能"查看"而不能设置和使用。

/tmp： 存放系统产生的临时文件，因此重要文件不要放在此目录下。

/srv： 服务启动之后需要访问的数据目录，如www服务需要访问的网页数据存放在/srv/www内。

/usr： 应用程序存放目录，/usr/bin 存放应用程序， /usr/share 存放共享数据，/usr/lib 存放不能直接运行的，却是许多程序运行所必需的一些函数库文件，/usr/local 存放软件升级包，/usr/share/doc 系统说明文件存放目录。

/usr/share/man:  程序说明文件存放目录，使用 man ls时会查询/usr/share/man/man1/ls.1.gz的内容。建议单独分区，设置较大的磁盘空间。

/var： 放置系统执行过程中经常变化的文件，如随时更改的日志文件 /var/log。

/sys：这个目录其实跟/proc非常类似，也是一个虚拟的档案系统，主要也是记录与核心相关的资讯。 包括目前已载入的核心模组与核心侦测到的硬体装置资讯等等。 这个目录同样不占硬盘容量。

3、绝对路径与相对路径

在访问文件或目录时，会涉及到所谓的路径。我们根据写法的不同来分成绝对路径(absolute)与相对路径(relative)。

绝对路径：由根目录(/)开始写起的文件名或目录名称。例如 /home/hyxy/.bashrc；

相对路径：相对于你当前所在路径的写法。 不是以 / 开头的写法就属于相对路径的写法。

举例来说，你目前在 /home/hyxy 这个目录下， 如果想要进入 /var/log 这个目录时，可以怎么写呢？

cd  /var/log                     --绝对路径写法

cd ../../var/log                 --相对路径写法。因为我们的位置是/home/hyxy里，所以要回到上一层（../）到达/home/里，然后再回到上                                          一层(../)到达根目录，此时才能看到/var，然后向里移动。

两个特殊的目录：

.  ：代表当前的目录，也可以使用 ./ 来表示；

.. ：代表上一层目录，也可以 ../ 来代表。

4、文件类型

当我们使用命令“ll”查询文件属性时，我们会看到第一列是由10个字符组成的。而10个字符的第一个字符就表示文件类型。

                         

现在，来看看Linux文件系统支持的文件类型：

-(f):普通文件

d：目录文件

b：块设备。就是一些储存数据，以提供系统存取的接口设备。例如你的一号硬盘的代码是 /dev/hda1。

c：字符文件。一些串行端口的接口设备，例如键盘、鼠标等等！

l：符号链接文件，分为软链接和硬链接。类似于windows系统的快捷方式。

p：管道文件，FIFO也是一种特殊的文件类型，它主要的目的是，解决多个程序同时存取一个文件所造成的错误。

s：套接字文件，socket。如启动一个MySql服务器时产生的一个mysql.sock文件。

查看文件类型的三种方法：

方法1：ls -l或者ll
方法2：file命令
方法3：stat命令

5、文件属性

当使用命令   ls  -lih时，我们就会看到以下属性。

     

二、Linux虚拟文件系统

Linux 中允许不同的文件系统共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通过使用同一套文件 I/O 系统调用，即可对 Linux 中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，可以跨文件系统来操作文件。如下图，我们可以使用 cp 命令从 vfat 文件系统格式的硬盘拷贝数据到 ext3 文件系统格式的硬盘，而这样的操作涉及到两个不同的文件系统。

                            

那么，是什么原因可以让Linux系统有这样强大的功能呢？

Linux中，有一个虚拟文件系统（Virtual File System, 简称VFS）,是Linux内核中的一个软件层，用于给应用程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖VFS共存，而且也依靠VFS协同工作。

为了能够支持各种实际文件系统，VFS定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据结构;同时实际文件系统也提供VFS所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准 的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。下图显示了VFS在内核中与实际的文件系统的协同关系。

                   

VFS主要有四个数据结构，分别是超级块、索引节点、目录项和文件对象(文件对象是针对于内存来说的)。正是这四种数据结构的支持，因此不论是普通的文件，还是特殊的目录、设备等，VFS都将它们同等看待成文件，通过同一套文件操作界面来对它们进行操作。

操作文件时需先打开；打开文件时，VFS会知道该文件对应的文件系统格式；当VFS把控制权传给实际的文件系统时，实际的文件系统再做出具体区分，对不同的文件类型执行不同的操作。这也就是“一切皆是文件”的根本所在。

三、文件存储结构

我们都知道，硬盘是用来持久化存储内存中的信息，断电后不会丢失。由于这个原因，文件系统也就安装在了硬盘上。就像windows系统一样，一个分区，就是一个文件系统。那么，文件系统是怎么管理磁盘的呢？

它将磁盘块分为以下三个部分：
1)  超级块，文件系统中第一个块被称为超级块。这个块存放文件系统本身的结构信息。比如，超级块记录了每个区域的大小，超级块也存放未被使用的磁盘块的信息。
2)  i-节点表。超级块的下一个部分就是i-节点表。每个i-节点就是一个对应一个文件/目录的结构，这个结构它包含了一个文件的长度、创建及修改时间、权限、所属关系、磁盘中的位置等信息。一个文件系统维护了一个索引节点的数组，每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一一个元素对应。系统给每个索引节点分配了一个号码，也就是该节点在数组中的索引号，称为索引节点号
3)  数据区。文件系统的第3个部分是数据区。文件的内容保存在这个区域。磁盘上所有块的大小都一样。如果文件包含了超过一个块的内容，则文件内容会存放在多个磁盘块中。一个较大的文件很容易分布上千个独产的磁盘块中。

下面对上图里边的构成元素做个简单的讲解：

引导块：为磁盘分区的第一个块，记录文件系统分区的一些信息，，引导加载当前分区的程序和数据被保存在这个块中。一般占用2kB，

超级块：

超级块用于存储文件系统全局的配置参数(譬如：块大小，总的块数和inode数)和动态信息(譬如：当前空闲块数和inode数)，其处于文件系统开始位置的1k处，所占大小为1k。为了系统的健壮性，最初每个块组都有超级块和组描述符表(以下将用GDT)的一个拷贝，但是当文件系统很大时，这样浪费了很多块(尤其是GDT占用的块多)，后来采用了一种稀疏的方式来存储这些拷贝，只有块组号是3, 5 ,7的幂的块组(譬如说1,3,5,7,9,25,49…)才备份这个拷贝。通常情况下，只有主拷贝(第0块块组)的超级块信息被文件系统使用，其它拷贝只有在主拷贝被破坏的情况下才使用。

块组描述符：

GDT用于存储块组描述符，其占用一个或者多个数据块，具体取决于文件系统的大小。它主要包含块位图，inode位图和inode表位置，当前空闲块数，inode数以及使用的目录数(用于平衡各个块组目录数)，具体定义可以参见ext3_fs.h文件中struct ext3_group_desc。每个块组都对应这样一个描述符，目前该结构占用32个字节，因此对于块大小为4k的文件系统来说，每个块可以存储128个块组描述符。由于GDT对于定位文件系统的元数据非常重要，因此和超级块一样，也对其进行了备份。GDT在每个块组(如果有备份)中内容都是一样的，其所占块数也是相同的。从上面的介绍可以看出块组中的元数据譬如块位图，inode位图,inode表其位置不是固定的，当然默认情况下，文件系统在创建时其位置在每个块组中都是一样的，如图2所示(假设按照稀疏方式存储，且n不是3,5,7的幂)

块组：

每个块组包含一个块位图块，一个 inode 位图块，一个或多个块用于描述 inode 表和用于存储文件数据的数据块，除此之外，还有可能包含超级块和所有块组描述符表(取决于块组号和文件系统创建时使用的参数)。下面将对这些元数据作一些简要介绍。

块位图：

块位图用于描述该块组所管理的块的分配状态。如果某个块对应的位未置位，那么代表该块未分配，可以用于存储数据；否则，代表该块已经用于存储数据或者该块不能够使用(譬如该块物理上不存在)。由于块位图仅占一个块，因此这也就决定了块组的大小。

Inode位图：

Inode位图用于描述该块组所管理的inode的分配状态。我们知道inode是用于描述文件的元数据，每个inode对应文件系统中唯一的一个号，如果inode位图中相应位置位，那么代表该inode已经分配出去；否则可以使用。由于其仅占用一个块，因此这也限制了一个块组中所能够使用的最大inode数量。

Inode表：

Inode表用于存储inode信息。它占用一个或多个块(为了有效的利用空间，多个inode存储在一个块中)，其大小取决于文件系统创建时的参数，由于inode位图的限制，决定了其最大所占用的空间。

以上这几个构成元素所处的磁盘块成为文件系统的元数据块，剩余的部分则用来存储真正的文件内容，称为数据块，而数据块其实也包含数据和目录。

Linux文件系统的文件

Linux文件系统(如ext2、ext3)中的一个文件由目录项、inode和数据块组成。

目录项:包括文件名和inode节点号。
Inode：又称文件索引节点，是文件基本信息的存放地和数据块指针存放地。
数据块：文件的具体内容存放地。

                                                   
Inode包含文件的属性(如读写属性、owner等，以及指向数据块的指针)，数据区域块则是文件内容。当查看某个文件时，会先从inode table中查出文件属性及数据存放点，再从数据块中读取数据。

 

                                                     

四、df命令详解

df命令的作用:列出文件系统的整体磁盘空间使用情况，包括磁盘已使用空间和还剩余空间。在默认情况下，磁盘空间是以1KB为单位进行显示的，我们可以设置环境变量POSIXLY_CORRECT环境变量为true，这种情况下使用512字节为单位显示。

命令语法：df   [选项]    [文件名] 
常用参数： 
-a：--all，显示所有的文件系统，包括虚拟文件系统，参考示例2。 
-B：--block-size，指定单位大小。比如1k，1m等，参考示例3。 
-h：--human-readable，以人们易读的GB、MB、KB等格式显示，参考示例4。 
-H：--si，和-h参数一样，但是不是以1024，而是1000，即1k=1000，而不是1k=1024。 
-i：--inodes，不用硬盘容量，而是以inode的数量来显示，参考示例5。 
-k：以KB的容量显示各文件系统，相当于--block-size=1k。 
-m：以KB的容量显示各文件系统，相当于--block-size=1m。 
-l：--local，只显示本地文件系统。 
--no-sync：在统计使用信息之前不调用sync命令(默认)。 
-sync：在统计使用信息之前调用sync命令。 
-P：--portability，使用POSIX格式显示，参考示例6。 
-t：--type=TYPE，只显示指定类型的文件系统，参考示例7。 
-T：--print-type，显示文件系统类型，参考示例8。 
-x：--exclude-type=TYPE，不显示指定类型的文件系统。 
--help：显示帮助信息。 
--version：显示版本信息。

案例1：查看文件或目录所在的文件系统

[root@master ~]# df /bin /home/michael/test/a.txt
Filesystem                   1K-blocks    Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root  18134344 4699356  12513800  28% /
/dev/mapper/VolGroup-lv_root  18134344 4699356  12513800  28% /

输出结果列说明：

Filesystem：代表该文件系统是哪个分区，所以列出的是设备名称。
1K-blocks：说明下面的数字单位是1KB，可利用-h或-m来改变单位大小，也可以用-B来设置。
Used：已使用空间大小。
Available：剩余空间大小。
Use%：磁盘使用率。如果使用率在90%以上时，就需要注意了，避免磁盘容量不足出现系统问题，尤其是对于文件内容增加较快的情况(如/home、/var/spool/mail等)。
Mounted on：磁盘挂载的目录，即该磁盘挂载到了哪个目录下面。

案例2：查看所有文件系统

[root@master mm]# df -a              #包含了VFS
Filesystem                   1K-blocks      Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root  18134344   4699376  12513780  28% /
proc                                 0         0         0    - /proc
sysfs                                0         0         0    - /sys
devpts                               0         0         0    - /dev/pts
tmpfs                           502204       224    501980   1% /dev/shm
/dev/sda1                       495844     34917    435327   8% /boot
none                                 0         0         0    - /proc/sys/fs/binfmt_misc
.host:/                      420218876 122634068 297584808  30% /mnt/hgfs
vmware-vmblock                       0         0         0    - /var/run/vmblock-fuse
gvfs-fuse-daemon                     0         0         0    - /root/.gvfs
[root@master mm]# df                 #默认模式
Filesystem                   1K-blocks      Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root  18134344   4699376  12513780  28% /
tmpfs                           502204       224    501980   1% /dev/shm
/dev/sda1                       495844     34917    435327   8% /boot
.host:/                      420218876 122634068 297584808  30% /mnt/hgfs

小贴士：系统里面存在很多特殊的文件系统，这些文件系统都是在内存当中，（如/proc挂载点），不会占据硬盘空间。

案例3：指定单位来查看文件系统

[root@master mm]# df -B 1M               #指定单位为1M
Filesystem                   1M-blocks   Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root     17710   4590     12221  28% /
tmpfs                              491      1       491   1% /dev/shm
/dev/sda1                          485     35       426   8% /boot
.host:/                         410370 119760    290611  30% /mnt/hgfs
[root@master mm]# df --block-size 1M     #指定单位为1M
Filesystem                   1M-blocks   Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root     17710   4590     12221  28% /
tmpfs                              491      1       491   1% /dev/shm
/dev/sda1                          485     35       426   8% /boot
.host:/                         410370 119760    290611  30% /mnt/hgfs

案例4：以容易理解的方式查看文件系统

[root@master mm]# df -h
Filesystem                    Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root   18G  4.5G   12G  28% /
tmpfs                         491M  224K  491M   1% /dev/shm
/dev/sda1                     485M   35M  426M   8% /boot
.host:/                       401G  117G  284G  30% /mnt/hgfs

案例5：以inode数量的方式查看文件系统

[root@master mm]# df -i
Filesystem                    Inodes  IUsed   IFree IUse% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root 1152816 110838 1041978   10% /
tmpfs                         125551      5  125546    1% /dev/shm
/dev/sda1                     128016     38  127978    1% /boot
.host:/                            0      0       0     - /mnt/hgfs

案例6：以文件系统类型方式来查询文件系统

[root@master mm]# df -T
Filesystem                   Type   1K-blocks      Used Available Use% Mounted on
/dev/mapper/VolGroup-lv_root ext4    18134344   4699412  12513744  28% /
tmpfs                        tmpfs     502204       224    501980   1% /dev/shm
/dev/sda1                    ext4      495844     34917    435327   8% /boot
.host:/                      vmhgfs 420218876 122634068 297584808  30% /mnt/hgfs

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